提高有机太阳能电池的效率
有机太阳能电池比由晶体硅制成的同类产品更便宜且更灵活，但不能提供相同水平的效率或稳定性。由弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学 (FAU) 材料科学与工程系主任、电子与能源技术材料研究所 (i-MEET) 所长 Christoph Brabec 教授领导的一组研究人员，多年来一直致力于改善这些特性。在他的博士论文中，FAU 的年轻研究员 Andrej Classen 证明了使用发光受体分子可以提高效率。他的工作现已发表在《自然能源》杂志上。
在欧洲纬度的晴天，太阳可以提供每平方米约 1000 瓦的辐射能量。传统的单晶硅太阳能电池将高达五分之一的能量转化为电能，这意味着它们的效率约为 20%。Brabec 教授的工作组自 2019 年 9 月以来一直保持着 12.6% 的有机光伏组件效率的世界纪录。在纽伦堡能源园区 (EnCN) 开发的多电池组件的表面积为 26 cm²。“如果我们能在实验室中达到 20% 以上，我们就有可能在实践中达到 15%，并成为硅太阳能电池的真正竞争者，”Brabec 教授说。
制造过程中应用灵活，能效高
有机太阳能电池的优势是显而易见的——它们像箔一样薄而灵活，可以适应各种基板。可以通过使用的宏模块“调整”吸收太阳光的波长。一扇涂有吸收红色和红外光谱的有机太阳能电池的办公室窗户不仅可以屏蔽热辐射，还可以同时发电。考虑到气候变化，一项变得越来越重要的标准是太阳能电池产生的能量超过制造所需能量的运行期。这种所谓的能源回收时间在很大程度上取决于所使用的技术和光伏 (PV) 系统的位置。根据弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)的最新计算，瑞士硅制光伏组件的能源回收期约为 2.5 至 2.8 年。然而，根据 Brabec 教授主席的研究助理 Thomas Heumüller 博士的说法，对于有机太阳能电池来说，这个时间减少到只有几个月。
电荷分离的性能损失
与“传统”硅太阳能电池相比，它的有机等效物有一个明显的缺点：阳光不会立即为电流产生电荷，而是产生正负电荷仍然结合的所谓激子。Heumüller 博士解释说：“为了触发电荷分离，需要一个只吸引负电荷的受体，这反过来又会产生可以发电的自由电荷。”分离电荷需要一定的驱动力。这种驱动力取决于所用聚合物的分子结构。由于富勒烯类材料中的某些分子具有高驱动力，到目前为止，它们一直是有机太阳能电池中电子受体的首选。然而与此同时，科学家们发现高驱动力对电压有不利影响。这意味着太阳能电池的输出会降低，根据适用于直流电的公式——功率等于电压乘以电流。
Andrej Classen 想知道驱动力必须有多低才能实现激子的完全电荷分离。为此，他比较了四种供体和五种受体聚合物的组合，这些聚合物已经证明它们在有机太阳能电池中的应用潜力。Classen 用它们在完全相同的条件下生产了 20 个太阳能电池，驱动力几乎为零到 0.6 电子伏特。
提高某些分子的性能
测量结果为研究中已经假设的理论提供了证据——激子和分离电荷之间的“玻尔兹曼平衡”，即所谓的电荷转移 (CT) 状态。“驱动力越接近零，平衡就越向激子移动，”布拉贝克工作组的光物理学专家拉里·吕尔博士说。这意味着未来的研究应该集中在防止激子衰减，这意味着增加其激发“寿命”。到目前为止，研究只集中在CT状态的工作寿命上。激子可以通过发光(发光)或热衰变。通过巧妙地修改聚合物，科学家们能够将产生的热量降至最低，并尽可能地保持发光。'
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2021-06-10
